ITTO20110989A1 - Dispositivo microelettromeccanico con strato di protezione da attacco e relativo metodo di fabbricazione - Google Patents
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Description
“DISPOSITIVO MICROELETTROMECCANICO CON STRATO DI PROTEZIONE DA ATTACCO E RELATIVO METODO DI FABBRICAZIONEâ€
* * *
La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo di fabbricazione di un dispositivo microelettromeccanico comprendente uno strato di protezione dall’attacco (“etch stop layer†) e ad un dispositivo microelettromeccanico comprendente lo strato di protezione. In particolare, lo strato di protezione à ̈ atto a proteggere strati sottostanti da acido idrofluoridrico (HF) utilizzato per la rimozione di uno strato sacrificale soprastante.
Tra le tecniche di fabbricazione di dispositivi microelettronici e microelettromeccanici (MEMS) di tipo noto, la tecnica di microlavorazione delle superfici (“surface micromachining†) occupa un posto rilevante. La fabbricazione di strutture sospese (“free standing†) mediante microlavorazione delle superfici comprende formare, su di un substrato, strati strutturali parzialmente sovrapposti a strati sacrificali. Un successivo attacco (“etching†) chimico selettivo consente di rimuovere gli stati sacrificali esposti alla soluzione chimica di attacco per liberare (“release†) gli strati strutturali e formare le strutture sospese.
Le figure 1-6 mostrano fasi di fabbricazione di una struttura sospesa secondo un metodo di tipo noto. In particolare, à ̈ mostrato un metodo per formare strutture sospese in polisilicio epitassiale (anche noto come “EPIPoly†) su un substrato di silicio. Sono inoltre previsti collegamenti elettrici da e verso le strutture sospese, formati mediante strisce (“strips†) in polisilicio drogato.
Con riferimento alla figura 1, si dispone un substrato 1 di silicio. Quindi, viene formato uno strato di supporto 2, di ossido di silicio, ad esempio cresciuto termicamente. Al di sopra dello strato di supporto 2 viene formato uno strato di polisilicio drogato (ad esempio di tipo N), che viene successivamente attaccato in modo da rimuovere porzioni selettive dello strato di polisilicio e formare regioni di contatto elettrico 4. L’attacco dello strato di polisilicio à ̈ di tipo selettivo, e non rimuove porzioni dello strato di supporto 2. Lo strato di supporto 2 ha la funzione di isolare elettricamente le regioni di contatto elettrico 4 dal substrato 1 e ridurre le capacità parassite verso quest’ultimo.
Quindi, figura 2, si forma al di sopra dello strato di supporto 2 e delle regioni di contatto elettrico 4, uno strato sacrificale 6, di ossido di silicio. Mediante fasi di litografia e successivo attacco, vengono rimosse porzioni dello strato sacrificale 6 in corrispondenza delle regioni di contatto elettrico 4 sottostanti, formando una o più trincee (“trenches†) 8 che si estendono fino alle regioni di contatto elettrico 4, così da esporre la superficie delle regioni di contatto elettrico 4.
Quindi, figura 3, viene formato al di sopra dello strato sacrificale 6 e nelle trincee 8 uno strato strutturale 10, ad esempio di polisilicio epitassiale (“EPIPoly†), che si estende nelle trincee 8 fino a contattare elettricamente le regioni di contatto elettrico 4. Lo strato strutturale 10 può essere lavorato secondo necessità , per formare strutture superficiali aventi una conformazione desiderata.
In figura 4, lo strato strutturale 10 à ̈ attaccato selettivamente per rimuovere una porzione dello stesso così da formare una struttura indicata con il numero di riferimento 12. Si fa notare, tuttavia, che in questa fase di fabbricazione, la struttura 12 à ̈ ancora completamente vincolata allo strato sacrificale 6 sottostante, e dunque non à ̈ libera di compiere movimenti. Inoltre, à ̈ qui mostrata una struttura 12 avente forma di membrana, ma quanto descritto si estende a qualsiasi struttura che, al termine delle fasi di fabbricazione, debba essere una struttura sospesa o parzialmente sospesa, in grado di oscillare e/o traslare e/o compiere qualsiasi altro movimento in una o più dimensioni.
La struttura 12 comprende almeno una porzione di supporto che poggia sullo strato sacrificale 6. Sono inoltre formati, nella struttura 12, fori passanti (“through holes†) 13 per consentire la rimozione, in fasi di fabbricazione successive, dello strato sacrificale 6 così da formare una struttura parzialmente sospesa.
Infine, figura 5, la struttura 12 à ̈ resa sospesa rimuovendo porzioni dello strato sacrificale 6 che si estendono al di sotto della struttura 12. Nel seguito della descrizione, la struttura 12 sarà identificata come struttura mobile 12.
La porzione dello strato strutturale 10 che in figura 4 si estende nelle trincee 8 forma, in figura 5, una base di appoggio 12’ per la struttura mobile 12 (in contatto, e dunque in collegamento elettrico, con le regioni di contatto elettrico 4 sottostanti), mentre la porzione dello strato strutturale 10 che in figura 4 si estende al di sopra dello strato sacrificale 6 forma, in figura 5, una porzione sospesa 12†(libera di muoversi lungo una direzione sostanzialmente ortogonale al piano su cui giace il substrato 1).
La fase di attacco per rimuovere le porzioni dello strato sacrificale 6 (di ossido di silicio) che si estendono al di sotto della struttura mobile 12 à ̈ tipicamente un attacco in acido fluoridrico (HF) in fase vapore o in alternativa un attacco di tipo umido (“wet etching†) utilizzando una soluzione o miscela di HF. L’acido idrofluoridrico attacca l’ossido di silicio in modo isotropico, ma non il polisilicio. La struttura mobile 12, pertanto, non viene deteriorata. L’attacco dello strato sacrificale 6 mediante HF può essere arrestato in una regione prossima all’interfaccia tra lo strato sacrificale 6 e lo strato di supporto 2 conoscendo la velocità di attacco (“etching rate†) e monitorando il tempo di attacco; alternativamente, la soluzione ottimale à ̈ l’utilizzo di uno strato di interruzione dell’attacco (“etch stop layer†), disposto tra lo strato sacrificale 6 e lo strato di supporto 2, scelto di un materiale che non viene attaccato dall’HF e che non permette all’HF di penetrare attraverso.
Tuttavia, la prima soluzione (monitoraggio del tempo di attacco) non à ̈ ottimale e non à ̈ generalmente applicabile, in quanto una rimozione completa e uniforme dello strato sacrificale 6 non può essere garantita in tutte le situazioni, tanto più nel caso mostrato in figura 4 in cui la presenza dei fori 13 non consente una penetrazione uniforme della chimica di attacco al di sotto della struttura mobile 12.
La seconda soluzione non à ̈ di fatto praticabile, in quanto materiali conosciuti resistenti all’HF mostrano una serie di altre controindicazioni.
Ad esempio, materiali utilizzabili come strato di interruzione dell’attacco 15 sono il carburo di silicio (SiC), il silicio-germanio (SiGe), polisilicio-germanio (Poly SiGe), in quanto resistenti all’acido idrofluoridrico.
Altri materiali, quali il nitruro di silicio (SiN), non sono resistenti all’acido idrofluoridrico. In particolare utilizzando un attacco in HF vapore, il SiN oltre a essere rimosso, forma con i vapori dell’acido fluoridrico sali che causano una elevata difettosità della struttura finale. L’utilizzo di SiC, ad esempio depositato con tecnica PECVD (“Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition†), pur consentendo in certe condizioni una resistenza rispetto all’attacco in HF, non garantisce una completa impermeabilità all’HF, in quanto, se deposto su strutture definite, può dare luogo a microfessure. Possono così generarsi infiltrazioni dell’acido fluoridrico attraverso lo strato di SiC, che causano un attacco dello strato di supporto 2 sottostante. Il SiC ha inoltre altre caratteristiche non desiderate che si manifestano in particolare in seguito a fasi di trattamento termico (annealing) che potrebbero essere richieste da fasi di fabbricazione successive al deposito dello strato di SiC. In particolare, in seguito a fasi di annealing, si à ̈ osservata una ridotta adesione del SiC all’ossido di silicio, e a una variazione delle proprietà isolanti del SiC, che assume un comportamento conduttivo.
Il SiGe, sebbene sia resistente all’attacco in HF e sia inoltre impermeabile all’HF, richiede un elevato grado di purezza (assenza di impurità droganti). Viceversa, la diffusione di eventuali specie droganti riduce drasticamente il valore di costante dielettrica del SiGe, rendendolo inadatto per applicazioni in cui (come il caso mostrato nelle figure 1-6) à ̈ richiesto un elevato isolamento elettrico tra regioni di contatto elettrico 4 e gli strati sottostanti. Un discorso analogo à ̈ valido per il polisilicio-germanio.
Pertanto, per garantire un attacco completo dello strato sacrificale 6 senza pregiudicare le caratteristiche elettriche e strutturali di altri strati, si preferisce, tipicamente, attaccare completamente sia lo strato sacrificale 6 che lo strato di supporto 2. L’attacco in HF procede dunque anche verso lo strato di supporto 2 e, poiché à ̈ di tipo isotropico, si osserva un fenomeno di attacco al di sotto delle regioni di contatto elettrico 4 (noto come “underetch o undercut†) che crea porzioni di regione periferiche sospese delle regioni di contatto elettrico 4. Questo fatto può causare problemi di indebolimento o possibile rottura di quest’ultime, o di rottura delle colonne 2’ che risultano in seguito all’attacco dello strato di supporto 2 al di sotto delle regioni di contatto elettrico 4. Ciò comporta un limite nella progettazione delle dimensioni delle regioni di contatto elettrico 4 (per contenere l’underetch e quindi la porzione di regione sospesa) con conseguente limite nel rescaling del dispositivo. Inoltre si hanno anche complicazioni di layout che devono tenere conto delle dimensioni ed entità di underetch per evitare che diventi eccessivo.
Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un metodo di fabbricazione di un dispositivo microelettromeccanico comprendente uno strato di protezione dall’attacco e un dispositivo microelettromeccanico comprendente lo strato di protezione dall’attacco, in grado di superare gli inconvenienti dell’arte nota.
Secondo la presente invenzione vengono forniti (“provided†) un metodo di fabbricazione di un dispositivo microelettromeccanico comprendente uno strato di protezione dall’attacco, e un dispositivo microelettromeccanico comprendente lo strato di protezione dall’attacco, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- le figure 1-5 mostrano fasi di un metodo di fabbricazione di una struttura sospesa, secondo una forma di realizzazione di tipo noto;
- le figure 6-12 mostrano fasi di un metodo di fabbricazione di una struttura sospesa, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 13 mostra una ulteriore fase di fabbricazione secondo la presente invenzione, in aggiunta alle fasi delle figure 6-12; e
- la figura 14 mostra un sensore inerziale fabbricato secondo il metodo descritto con riferimento alle fasi delle figure 6-13.
Le figure 6-12 mostrano fasi di un metodo di fabbricazione di una struttura sospesa secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
Con riferimento alla figura 6, si dispone una fetta 100 comprendente un substrato 21, ad esempio di silicio (Si). Il substrato 21 comprende una prima e una seconda superficie 21a e 21b opposte tra loro. Sulla prima e/o sulla seconda superficie 21a e 21b del substrato 21 viene formato uno strato di supporto 22 (in figura 5, lo strato di supporto 22 si estende solo sulla prima superficie 21a), di ossido di silicio (SiO2) ad esempio cresciuto termicamente. Alternativamente, lo strato di supporto 22 Ã ̈ di ossido di silicio depositato sulla superfice 21a con tecnica PECVD. Lo strato di supporto 22 comprende una prima e una seconda superficie 22a e 22b opposte tra loro. La seconda superficie 22b dello strato di supporto 22 Ã ̈ in contatto diretto con la prima superficie 21a del substrato 21.
Si procede quindi, figura 7, con fasi di formazione, al di sopra della prima superficie 22a dello strato di supporto 22, di uno strato di interruzione attacco (“etch stop layer†) 25. Lo strato di interruzione attacco 25 à ̈ di ossido di alluminio (Al2O3), anche noto come allumina.
Lo strato di interruzione attacco 25 à ̈ formato mediante tecnica di deposizione di strato atomico (ALD – “Atomic Layer Deposition†).
La deposizione di Al2O3mediante tecnica ALD à ̈ tipicamente eseguita utilizzando come reagenti trimetilalluminio (TMA, Al(CH3)3) e vapori di acqua (H2O). Alternativamente ai vapori di H2O à ̈ possibile utilizzare ozono (O3). Nel seguito si farà riferimento a fasi di deposito utilizzando TMA come sorgente di alluminio e H2O come ossidante.
Si descrivono nel seguito fasi di deposizione a strato atomico (ALD) di Al2O3sulla fetta 100. Queste fasi sono note in letteratura, ad esempio da Steven M. George, Chem. Rev. 2010, 110, p. 111-131, o da Puurunen, R. L., J. Appl. Phys. 2005, 97, p. 121-301. Nel seguito, per maggior completezza e chiarezza di descrizione, viene descritto un possibile procedimento di formazione di uno strato di Al2O3mediante una tecnica ALD. Risulta evidente che eventuali varianti note del processo qui di seguito descritto possono essere utilizzate per la formazione dello strato di interruzione attacco 25.
Prima della deposizione di Al2O3, la fetta 100 viene inserito in una camera di reazione (vari tipologie di reattori ALD sono note ed utilizzate). La temperatura dell’ambiente interno alla camera di reazione viene quindi portata ad un valore compreso tra circa 150 e 400 °C, ad esempio pari a circa 300°C.
Quindi, si introducono dei reagenti nella camera di reazione secondo uno schema di impulsi temporali successivi tra loro.
Innanzitutto, viene introdotto nella camera di reazione un primo reagente, tipicamente vapori di H2O.
I vapori di H2O reagiscono con la superficie 22a esposta della fetta 100, formando gruppi ossidrili (OH-). Nel caso particolare di figura 6, poiché la superficie 22a esposta à ̈ quella dello strato di supporto 22 (di ossido di silicio che presenta gruppi ossidrili OH- in corrispondenza della superficie 22a), l’impulso di H2O può essere omesso. Nel caso in cui il processo di formazione dello strato di interruzione attacco 25 avvenisse a partire da una superficie che non presenta gruppi ossidrili OH- esposti, ad esempio direttamente sul substrato 21 di silicio, l’impulso di H2O risulta necessario per la formazione di gruppi ossidrili alla superficie (formazione di gruppi silani SiOH su silicio).
Quindi, viene introdotto nella camera di reazione dell’azoto (N2) gassoso, con un impulso di durata compresa tra circa 200 e 3500 ms. Questo secondo impulso non à ̈ strettamente necessario ai fini della formazione dello strato di Al2O3, ma ha la funzione di facilitare la rimozione (detta “purge†), dalla camera di reazione, delle molecole di H2O che non hanno partecipato alla formazione dei gruppi ossidrili alla superficie in modo da evitare reazioni in fase gassosa, e promuovando solo quelle dovute ai gruppi ossidrili superficiali.
Quindi, mediante un terzo impulso di durata temporale compresa tra 150 e 200 ms, viene introdotto nella camera di reazione un secondo reagente, in particolare trimetilalluminio (TMA). La quantità di TMA introdotta varia in base alle condizioni operative specifiche. In generale, à ̈ consigliabile introdurre TMA in quantità sufficiente da consentire la successiva reazione di molecole di TMA con tutti i gruppi ossidrili presenti sulla superficie 22a.
Lo strato di supporto 22 presenta in superficie 22a, come detto, gruppi ossidrili (OH-) esposti. Il TMA reagisce con i gruppi ossidrili in corrispondenza della superficie 22a dello strato di supporto 22 generando metano (CH4) come prodotto della reazione. La reazione à ̈ descritta dalla seguente formula (1):
SiOH Al(CH3)3→ SiOAl(CH3)2+ CH4(1)
Le specie SiOH e SiOAl(CH3)2sono specie formate sulla superficie. Poiché esiste un numero finito di siti superficiali in corrispondenza dei quali avviene la reazione (1), la reazione (1) à ̈ auto-limitante. Si forma in questo modo un monostrato uniforme di SiOAl(CH3)2sulla superficie 22a dello strato di supporto 22.
Quindi, viene nuovamente introdotto nella camera di reazione dell’azoto (N2) gassoso, con un impulso di durata compresa tra circa 150 e 3500 ms. Anche questo secondo impulso, opzionale ai fini della formazione dello strato di Al2O3, ha la funzione di facilitare la rimozione, dalla camera di reazione, del metano generato come prodotto della reazione (1) e di TMA in eccesso che non ha partecipato alla reazione (1).
Quindi, il processo si ripete, con l’introduzione nella camera di reazione di vapori di H2O (con un impulso di durata temporale pari a quella del primo impulso).
I vapori di H2O reagiscono con i gruppi metili liberi presenti sulla superficie 22a dello strato di supporto 22 dopo la reazione (1), formando ponti alluminio-ossigeno (Al-O) e gruppi ossidrili di superficie. Anche in questo caso, il prodotto della reazione à ̈ metano. Questa reazione à ̈ qualitativamente descritta dalla seguente formula (2):
2H2O SiOAl(CH3)2→ SiOAl(OH)2+ 2CH4(2)
Il metano in eccesso generato in seguito alla reazione (2), così come eventuali vapori di H2O in eccesso, sono rimossi dalla camera di reazione introducendo N2nella camera di reazione (impulso di durata compresa tra circa 200 e 3500 ms).
Si introduce, quindi, nella camera di reazione TMA (impulso di durata compresa tra circa 150 e 200 ms). Il TMA reagisce con i gruppi ossidrili presenti in corrispondenza della superficie dello strato di supporto 22 e legati ad atomi di alluminio (AlOH), secondo la seguente reazione (3):
AlOH Al(CH3)3→ AlOAl(CH3)2+ CH4(3)
Le specie SiOH e AlOAl(CH3)2sono specie di superficie. La reazione (3) Ã ̈ auto-limitante.
Una nuovo impulso di N2consente di facilitare la liberazione della camera di reazione dai prodotti generati dalla reazione precedente.
Quindi, una ulteriore introduzione nella camera di reazione di vapori di H2O (impulso temporale compreso tra circa 200-500 ms, analogo a quello precedentemente illustrato) causa la reazione (4):
AlCH3+ H2O → AlOH CH4(4)
Le specie AlCH3e AlOH sono specie di superficie. La reazione (4) à ̈ anch’essa auto-limitante.
Il processo quindi continua ripetendo le fasi delle reazioni (3) e (4), che definiscono un ciclo completo di formazione di un monostrato di Al2O3sullo strato portante 22.
La reazione completa che descrive il deposito ALD di ossido di alluminio (Al2O3) Ã ̈ la seguente:
2Al(CH3)3+ 3H2O → Al2O3+ 3CH4(5)
Durante ciascun ciclo si ha la crescita di uno strato di Al2O3di circa 0.08-0.1 nm. I cicli delle reazione (3) e (4) continuano fino al raggiungimento di un primo strato intermedio 25a (figura 7) di spessore compreso tra circa 10 e 60 nm, in particolare compreso tra circa 15 e 40 nm, ancora più in particolare pari a circa 20 nm
Lo spessore del primo strato intermedio 25a può essere misurato, con tecniche spettrofotometriche (ad esempio ellissometro).
Quindi si esegue una fase di trattamento termico della fetta 100 ad una temperatura compresa tra circa 800 e 1100°C, in particolare pari a circa 1030°C, per favorire la cristallizzazione del primo strato intermedio 25a, di Al2O3, formato come precedentemente descritto. Questa fase di trattamento termico può essere di tipo RTP (trattamento termico rapido, “rapid thermal process†) per un tempo compreso tra circa 10 secondi e 2 minuti in N2o O2, ad esempio pari a circa 15 secondi in N2se eseguito a circa 1030°C. Alternativamente, il trattamento termico può essere eseguito in forno (“furnace†) per un tempo compreso tra circa 10 minuti e 90 minuti,tra 800 e 1100 °C in N2e/o O2, preferibilmente a 900 °C per 30 minuti in N2.
In seguito alla cristallizzazione del primo strato intermedio 25a, si procede con la formazione di un secondo strato intermedio 25b, al di sopra del primo strato intermedio 25a.
Il secondo strato intermedio 25b à ̈ uno strato di ossido di alluminio (Al2O3) analogo al primo strato intermedio 25a.
Le fasi di formazione del secondo strato intermedio 25b sono le stesse già descritte precedentemente con riferimento alla formazione del primo strato intermedio 25a, e non sono quindi qui riportate nella loro interezza.
Il secondo strato intermedio 25b à ̈ dunque formato mediante tecnica di deposizione a strato atomico ALD, comprendente cicli consecutivi di formazione di monostrati di Al2O3come descritti con riferimento alle reazioni (3) e (4).
In maggior dettaglio, dopo aver introdotto la fetta 100 nella camera di reazione, a temperatura compresa tra circa 200 e 400°C, ad esempio pari a circa 300 °C, viene introdotto nella camera di reazione un primo reagente (ad esempio vapori di H2O, ma come detto si può utilizzare ozono, O3).
L’introduzione nella camera di reazione di vapori di H2O (impulso temporale compreso tra circa 200-500 ms) causa la seguente reazione (cioà ̈ la reazione 4 precedentemente illustrata):
AlCH3+ H2O → AlOH CH4,
in cui le specie AlCH3e AlOH sono specie di superficie.
Quindi, l’introduzione nella camera di reazione di TMA (impulso di durata compresa tra circa 150 e 200 ms) causa la seguente reazione (cioà ̈ la reazione 3 precedentemente illustrata):
AlOH Al(CH3)3→ AlOAl(CH3)2+ CH4,
in cui le specie SiOH e AlOAl(CH3)2sono specie di superficie.
Il ciclo riprende fino alla formazione di un secondo strato intermedio 25b avente spessore compreso tra circa 10 e 60 nm, in particolare compreso tra circa 15 e 40 nm, ancora più in particolare pari a circa 20 nm.
Fasi di impulso di N2tra le reazioni illustrate sono possibili (come già descritto con riferimento alla formazione del primo strato intermedio 25a), per consentire la pulizia della camera di reazione.
Quindi si esegue una fase di trattamento termico della fetta 100 ad una temperatura compresa tra circa 800 e 1100°C, in particolare pari a circa 1030°C, per favorire la cristallizzazione del secondo strato intermedio 25b, di Al2O3, formato come descritto. Questa fase di trattamento termico può essere di tipo RTP (trattamento termico rapido, “rapid thermal process†) per un tempo compreso tra circa 10 secondi e 2 minuti in N2o O2, ad esempio pari a circa 15 secondi in N2se eseguito a circa 1030°C. Alternativamente, il trattamento termico può essere eseguito in forno (“furnace†) per un tempo compreso tra circa 10 minuti e 90 minuti, tra 800 e 1100 °C in N2e/o O2, preferibilmente a 900 °C per 30 minuti in N2.
Si forma così lo strato di interruzione attacco 25, comprendente il primo e il secondo strato intermedio 25a, 25b formati come descritto. La sequenza descritta di deposizione di un primo strato di Al2O3, cristallizzazione del primo strato, deposizione di un secondo strato di Al2O3, cristallizzazione del secondo strato, garantisce la formazione di uno strato di interruzione attacco 25, di Al2O3, con caratteristiche ben definite, e in particolare conferisce allo strato di interruzione attacco 25 resistenza all’attacco da parte di HF, e, soprattutto, non permeabilità dello strato di interruzione attacco 25 all’HF.
La richiedente ha verificato che uno strato di ossido di alluminio Al2O3formato come precedentemente descritto, e in particolare comprendente un primo e un secondo strato intermedio 25a, 25b formati con tecnica ALD e sottoposti, separatamente, ad un processo di cristallizzazione, à ̈ resistente all’attacco con acido idrofluoridrico (HF), impermeabile all’acido idrofluoridrico, mostra ottime proprietà di adesione allo strato sottostante di ossido di silicio, mostra ottime proprietà dielettriche che non variano in funzione di eventuali trattamenti termici successivi, mostra scarsa variazione del raggio di curvatura (“warpage†) della fetta 100, compatibile con le attrezzature standard usate nell’industria microelettronica, e mostra una elevata compatibilità con processi termici ad alta temperatura (superiore ai 1000°C).
Quindi, come mostrato in figura 8, in seguito alla formazione dello strato di interruzione attacco 25, si procede con la formazione, al di sopra dello strato di interruzione attacco 25, di uno strato di contatto elettrico, ad esempio di polisilicio drogato (ad esempio di tipo N), che viene successivamente attaccato in modo da rimuovere porzioni selettive dello strato di contatto elettrico e formare regioni di contatto elettrico 34. L’attacco dello strato di contatto elettrico à ̈ effettuato mediante attacco polisilicio a plasma (“plasma dry etch†) selettivo su ossido di silicio, che rimuove selettivamente il polisilicio ma non lo strato di interruzione attacco 25.
Quindi, figura 9, si forma al di sopra dello strato di interruzione attacco 25 e delle regioni di contatto elettrico 34, uno strato sacrificale 36, di ossido di silicio (depositato mediante tecnica PECVD). Mediante fasi di litografia e successivo attacco, vengono rimosse porzioni dello strato sacrificale 36 in corrispondenza delle regioni di contatto elettrico 34 sottostanti, formando trincee (“trenches†) 38 che si estendono fino alle regioni di contatto elettrico 34, così da esporre la superficie delle regioni di contatto elettrico 34.
Quindi, figura 10, viene formato al di sopra dello strato sacrificale 36 e nelle trincee 38 uno strato strutturale 40, ad esempio di polisilicio cresciuto epitassialmente, che si estende nelle trincee 38 fino a contattare elettricamente le regioni di contatto elettrico 34. Lo strato strutturale 40 può essere lavorato secondo necessità , per formare strutture superficiali aventi una conformazione desiderata.
In figura 11, lo strato strutturale 40 à ̈ attaccato selettivamente per rimuovere una porzione dello stesso così da formare una struttura indicata con il numero di riferimento 42. Si fa notare, tuttavia, che in questa fase di fabbricazione, la struttura 42 à ̈ ancora completamente vincolata allo strato sacrificale 36 sottostante, e dunque non à ̈ libera di compiere movimenti. Inoltre, à ̈ qui mostrata una struttura 42 avente forma di membrana, ma quanto descritto si estende a qualsiasi struttura che, al termine delle fasi di fabbricazione, debba essere una struttura sospesa o parzialmente sospesa, in grado di oscillare e/o traslare e/o compiere qualsiasi altro movimento in una o più dimensioni.
La struttura 42 poggia, in questa fase, sullo strato sacrificale 36 (ed à ̈ in contatto con quest’ultimo). Sono inoltre formati fori passanti (“through holes†) 43 nella struttura 42 per consentire la rimozione, in una fase di fabbricazione successiva, dello strato sacrificale 36 così da formare una struttura parzialmente sospesa.
Quindi, figura 12, la struttura 42 à ̈ resa sospesa (e dunque mobile) rimuovendo porzioni dello strato sacrificale 36 che si estendono al di sotto della struttura 42. Nel seguito della descrizione, la struttura 42 sarà identificata come struttura mobile 42. La rimozione delle porzioni dello strato sacrificale 36 à ̈ effettuata mediante attacco in HF in fase vapore o in alternativa mediante attacco umido (“wet etching†) utilizzando una soluzione o miscela comprendente HF.
La porzione dello strato strutturale 40 che in figura 12 si estende nelle trincee 38 forma, in figura 12, una base di appoggio 42’ per la struttura mobile42 (in contatto, e dunque collegamento elettrico, con le regioni di contatto elettrico 34 sottostanti), mentre la porzione dello strato strutturale 40 che in figura 12 si estende al di sopra dello strato sacrificale 36 forma, in figura 12, una struttura sospesa 42†.
La fase di attacco in HF dello strato sacrificale 36 non danneggia lo strato di interruzione attacco 25, né penetra attraverso lo strato di interruzione attacco 25. Pertanto, lo strato di supporto 22 non à ̈ rimosso né danneggiato dalla fase di attacco in HF dello strato sacrificale 36. Lo strato sacrificale 36 può invece essere rimosso completamente.
Nel caso in cui sia necessario formare trincee profonde attraverso lo strato di supporto 22, ad esempio per contattare il substrato 21, lo strato di interruzione attacco 25 può essere selettivamente rimosso mediante un attacco mascherato (o tramite fasi successive di litografia e attacco) utilizzando un attacco a plasma (“plasma dry etch†)che utilizza BCl3. Quindi, si può procedere con l’attacco dello strato di supporto 22 utilizzando una miscela contenete HF (ad esempio, BOE).
La figura 13 mostra una fetta 200 (formata secondo le fasi di fabbricazione descritte con riferimento alle figure 6-8) in cui, inoltre, lo strato di interruzione attacco 25 Ã ̈ stato rimosso in corrispondenza di una regione in cui si desidera formare una trincea profonda 50 attraverso lo strato di supporto 22.
L’attacco dello strato di interruzione attacco 25 può essere eseguito, indifferentemente, prima o dopo la formazione delle regioni di contatto elettrico 34.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, le fasi di fabbricazione descritte con riferimento alle figure 6-13, possono essere utilizzate per fabbricare un sensore inerziale 300 del tipo schematicamente mostrato in figura 14 (in particolare, un giroscopio o un accelerometro).
Il sensore inerziale 300 comprende, in particolare, un substrato 301, ad esempio di silicio, avente una prima superficie 301a e una seconda superficie 301b, opposte tra loro; uno strato di supporto 302, di ossido di silicio (SiO2), estendentesi sulla prima superficie del substrato 301, in contatto con il substrato 301; uno strato di interruzione attacco 303, di allumina (Al2O3), formato come precedentemente descritto (in particolare con riferimento alla figura 7), estendentesi al di sopra dello strato di supporto 302; una pluralità di regioni di contatto elettrico 306, di polisilicio drogato N, estendentisi al di sopra dello strato di interruzione attacco 303; e strutture sospese mobili in una o più direzioni (statore 308 e rotore 309).
Lo statore e il rotore 308, 309 sono in contatto elettrico con rispettive regioni di contatto elettrico 306, per ricevere i segnali di pilotaggio e inviare i segnali di rilevamento, secondo il funzionamento noto di un giroscopio. Lo statore e il rotore 308, 309 sono di polisilicio, cresciuto epitassialmente e modellato secondo fasi di per sé note.
Il giroscopio 300 à ̈ alloggiato in un package che comprende muri laterali 310, estendentisi in modo da circondare lateralmente lo statore e il rotore 308, 309, isolati dalle regioni di contatto elettrico 306 mediante regioni di isolamento elettrico 311, ed in contatto elettrico con il substrato 301 attraverso un contatto verticale 312 estendentesi attraverso lo strato di interruzione attacco 303 e lo strato di supporto 302. Inoltre, un cappuccio (“cap†) 315 si estende al di sopra e in contatto con i muri laterali 310. Il cappuccio (“cap†) 315 e i muri laterali 310 sono accoppiati tra loro mediante materiale saldante 316, di tipo conduttivo oppure isolante a seconda delle necessità . In questo modo, si definisce una cavità interna che alloggia e protegge statore 308, rotore 309 e in generale tutti gli elementi (parti mobili e fisse) che formano il giroscopio. Esternamente alla cavità sono presenti uno o più pad conduttivi 318 elettricamente collegati alle regioni di contatto elettrico 306 per ricevere/alimentare segnali elettrici da/verso statore e rotore 308, 309.
Formando lo strato di interruzione attacco 303, secondo la presente invenzione, statore e rotore 308, 309 si estendono in contatto con regioni di contatto elettrico 306 prive degli svantaggi descritti con riferimento all’arte nota (si veda la figura 5 ad esempio). I vantaggi sono particolarmente evidenti nel caso di un giroscopio, poiché la presenza di strutture mobili à ̈ causa di notevole stress per le strutture di supporto che sostengono le strutture mobili. Quanto qui detto à ̈ valido per qualsiasi tipo di dispositivo MEMS con parti in movimento, ad esempio accelerometri.
Da un esame delle caratteristiche del trovato realizzato secondo la presente invenzione sono evidenti i vantaggi che essa consente di ottenere.
Uno strato di interruzione dell’attacco formato come descritto secondo la presente invenzione à ̈, in particolare, impermeabile all’acido idrofluoridrico (HF) e pertanto offre una protezione completa a strati sottostanti che possono essere danneggiati dall’acido idrofluoridrico. Inoltre mostra ottime proprietà di adesione a strati di ossido di silicio, ottime proprietà dielettriche ed elevata compatibilità con processi termici ad alta temperatura.
Evitando i problemi di attacco dell’ossido dello strato strutturale che si estende tra il substrato di silicio e i contatti elettrici di polisilicio come descritto con riferimento all’arte nota, à ̈ possibile ottenere strutture stabili e non soggette a rotture, incrementando l’affidabilità dei dispositivi così fabbricati.
Inoltre, la presente invenzione non richiede l’utilizzo di materiali costosi o di difficile lavorazione.
Altri vantaggi comprendono la riduzione della larghezza e del passo (“pitch†) delle regioni di contatto elettrico 4 con conseguente ridimensionamento (“rescaling†) del dispositivo o sistema finale; semplificazione del layout che può non deve tenere conto delle dimensioni di “underetch†menzionate con riferimento all’arte nota; sensibile riduzione dei tempi di liberazione (“release†) della struttura mobile 42, in quanto si deve rimuovere esclusivamente l’ossido dello strato sacrificale 36 (e non anche l’ossido dello strato strutturale sottostante), con conseguenti benefici per quanto riguarda i costi di fabbricazione.
Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
L’utilizzo di uno strato di Al2O3,ottenuto come descritto con riferimento allo strato di interruzione attacco 25, con finalità di protezione di strati sottostanti dall’acido idrofluoridrico à ̈ applicabile, in generale, per proteggere qualsiasi materiale soggetto ad essere rimosso o danneggiato durante fasi di attacco utilizzando acido idrofluoridrico (HF). Ad esempio, lo strato di supporto 22 precedentemente descritto può essere di un materiale diverso dall’ossido di silicio, quali di nitruro di silicio (SiN), ossinitruri, ossidi drogati (BPSG, PSG), ecc.
Inoltre, le regioni di contatto elettrico 34 possono essere omesse nel caso in cui il dispositivo MEMS non necessiti di segnali elettrici di controllo o non generi esso stesso segnali elettrici indicativi di una grandezza rilevata (ad esempio uno spostamento nel caso di giroscopio). In questo caso, la struttura mobile42 poggia direttamente sullo strato di interruzione attacco 25, o su un eventuale ulteriore strato intermedio.
Inoltre, le fasi di fabbricazione descritte con riferimento alle figure 6-13 mostrato una struttura sospesa di tipo a membrana. Risulta evidente che qualsiasi struttura sospesa può essere fabbricata come descritto, ad esempio travi (“beam†) sospese, microspecchi, diaframmi, “cantilever†o qualsiasi altra struttura MEMS.
Claims (14)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo di fabbricazione di un dispositivo microelettromeccanico (100; 300), comprendente: - disporre un substrato (21; 301) avente una prima e una seconda superficie (21a, 21b; 301a, 301b) opposte tra loro; - formare, al di sopra della prima superficie (21a) del substrato (21), uno strato portante (22; 302) di un primo materiale che può essere attaccato (“etched†) o danneggiato mediante acido idrofluoridrico; - formare, al di sopra dello strato portante (22; 302), uno strato di protezione (25; 303); - formare, al di sopra dello strato di protezione (25; 303), uno strato sacrificale (36) di un secondo materiale che può essere attaccato mediante acido idrofluoridrico; - formare almeno una regione strutturale (40; 308, 309) al di sopra di ed in contatto con lo strato sacrificale (36); - attaccare lo strato sacrificale (36) mediante una miscela comprendente acido idrofluoridrico, rimuovendo così selettivamente lo strato sacrificale (36) e rendendo la regione strutturale (40; 308, 309) sospesa al di sopra dello strato di protezione (25; 303), caratterizzato dal fatto che la fase di formare lo strato di protezione (25; 303) comprende: - formare un primo strato di ossido di alluminio mediante tecnica di deposito a strato atomico; - eseguire un processo termico di cristallizzazione del primo strato di ossido di alluminio, formando un primo strato di protezione intermedio (25a); - formare un secondo strato di ossido di alluminio, mediante tecnica di deposito a strato atomico, al di sopra del primo strato di protezione intermedio (25a); e - eseguire un processo termico di cristallizzazione del secondo strato di ossido di alluminio, formando un secondo strato di protezione intermedio (25b).
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto primo materiale à ̈ scelto nel gruppo comprendente: ossido di silicio, nitruro di silicio, ossinitruri, ossidi drogati.
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto secondo materiale à ̈ scelto nel gruppo comprendente: ossido di silicio, ossidi drogati.
- 4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto secondo strato di protezione intermedio (25b) Ã ̈ formato in contatto diretto con il primo strato di protezione intermedio (25a).
- 5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le fasi di formare il primo e il secondo strato di ossido di alluminio sono effettuate in una camera di reazione e comprendono ciascuna: a)- riscaldare l’ambiente interno a detta camera di reazione ad una temperatura compresa tra circa 150°C e 400°C; b)- immettere, nella camera di reazione, vapori di H2O; c)- immettere, nella camera di reazione, trimetilalluminio; d)- ripetere le fasi b) e c) fino a crescere uno strato di spessore compreso tra circa 10 nm e 60 nm.
- 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, comprendente inoltre, dopo la fase b) e la fase c), la fase e) immettere, nella camera di reazione, azoto.
- 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le fasi di eseguire un processo termico di cristallizzazione del primo e del secondo strato di ossido di alluminio comprendono ciascuna: - eseguire un trattamento termico rapido per un tempo compreso tra circa 10 secondi e 2 minuti ad una temperatura compresa tra circa 800 e 1100 °C; o - scaldare in un forno (“furnace†) per un tempo compreso tra circa 10 minuti e 90 minuti ad una temperatura compresa tra circa 800 e 1100°C.
- 8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre la fase di formare, al di sopra dello strato di protezione (25), regioni conduttive di polisilicio (34), e in cui la fase di formare la regione strutturale (40; 308, 309) comprende formare la regione strutturale almeno parzialmente al di sopra delle ed in contatto con le regioni conduttive di polisilicio (34).
- 9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la regione strutturale (40; 308, 309) Ã ̈ una massa mobile di un giroscopio o di un accelerometro.
- 10. Dispositivo microelettromeccanico (100; 300), comprendente: - un substrato (21; 301) avente una prima e una seconda superficie (21a, 21b; 301a, 301b) opposte tra loro; - uno strato portante (22; 302), di un materiale che può essere attaccato (“etched†) o danneggiato mediante acido idrofluoridrico, estendentesi al di sopra della prima superficie (21a) del substrato (21); e - uno strato di protezione (25; 303), estendentesi al di sopra dello strato portante (22; 302), comprendente un primo strato di protezione intermedio di ossido di alluminio cristallizzato ed un secondo strato di protezione intermedio di ossido di alluminio cristallizzato; e - almeno una regione strutturale sospesa (40; 308, 309) estendentesi al di sopra dello strato di protezione.
- 11. Dispositivo microelettromeccanico secondo la rivendicazione 10, in cui detto strato portante e di un materiale scelto nel gruppo comprendente: ossido di silicio, nitruro di silicio, ossinitruri, ossidi drogati.
- 12. Dispositivo microelettromeccanico secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui detto secondo strato di protezione intermedio (25b) si estende in contatto diretto con il primo strato di protezione intermedio (25a).
- 13. Dispositivo microelettromeccanico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 10-12, comprendente inoltre regioni conduttive di polisilicio (34) estendentisi al di sopra dello strato di protezione (25), e in cui la regione strutturale (40; 308, 309) si estende almeno parzialmente al di sopra delle ed in contatto con le regioni conduttive di polisilicio (34).
- 14. Dispositivo microelettromeccanico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 10-13, in cui la regione strutturale (40; 308, 309) Ã ̈ una massa mobile di un giroscopio o di un accelerometro.
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| IT000989A ITTO20110989A1 (it) | 2011-10-28 | 2011-10-28 | Dispositivo microelettromeccanico con strato di protezione da attacco e relativo metodo di fabbricazione |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| IT (1) | ITTO20110989A1 (it) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1083144A1 (en) * | 1999-09-10 | 2001-03-14 | STMicroelectronics S.r.l. | Micro-electromechanical structure insensitive to mechanical stresses. |
| US20050250235A1 (en) * | 2002-09-20 | 2005-11-10 | Miles Mark W | Controlling electromechanical behavior of structures within a microelectromechanical systems device |
-
2011
- 2011-10-28 IT IT000989A patent/ITTO20110989A1/it unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1083144A1 (en) * | 1999-09-10 | 2001-03-14 | STMicroelectronics S.r.l. | Micro-electromechanical structure insensitive to mechanical stresses. |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
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| WALLIN ET AL: "Influence of residual water on magnetron sputter deposited crystalline Al2O3 thin films", THIN SOLID FILMS, ELSEVIER-SEQUOIA S.A. LAUSANNE, CH, vol. 516, no. 12, 14 March 2008 (2008-03-14), pages 3877 - 3883, XP022533868, ISSN: 0040-6090, DOI: 10.1016/J.TSF.2007.07.135 * |
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